鋼結構水平拉桿支撐研究與設計

□石江濤 張 靜

一、引言

在鋼結構中，柱子的側向約束對柱子穩定承載力的影響是至關重要的。對于一排等間距布置、承受相同軸壓力的柱子，為了提高穩定承載力，一般的方法是在柱中設置一道水平支撐(受軸向壓力)，使柱子的計算長度減少一半，相關文獻[1～2]對此進行了深入的研究，得出了實用的計算方法，設計規范[3]也給出了此類支撐的設計方法。在目前的工程實踐中，大部分的柱子側向支撐都是按照壓桿進行設計的。既然壓桿能夠對柱子提供側向支撐，起到減少柱子計算長度的作用，實際上拉桿也可以起到同樣的作用，在玻璃幕墻中應用的穩定索(受軸向拉力)就是一個很好的例子。拉桿的承載力只與面積和強度有關，而壓桿除了這兩個因素外，還要受到穩定的控制。因此，受同樣大小的力，拉桿的計算截面一般小于壓桿。如果在設計中能夠采用拉桿減小柱子的計算長度，取代壓桿，則可以起到節約鋼材，降低工程造價的效果。

要用拉桿使柱子的計算長度減少一半，對拉桿的剛度和強度都有一定的要求。對于拉桿支撐，可以認為不存在初始彎曲，參考童根樹先生文獻[1]的研究過程，經過推導分析，理想條件下單柱和多柱的支撐桿剛度要求是相同的，進一步研究還可以得到多柱有缺陷情況下支撐桿的剛度要求與理想情況是相同的。下文主要對多柱有缺陷情況下受拉支撐桿進行內力分析。

二、初始缺陷取值

在一柱列中，各柱不可能同時出現最不利初始缺陷，設柱子缺陷的分布符合正態分布。由于鋼結構施工驗收規范規定柱子初彎曲的限值不得超過L/1000，再考慮后期荷載偏心等的不利影響，一般取d0=L/500作為柱子缺陷的限值，即認為柱子實際缺陷有95%的概率落在|d0|

現設第i根柱子的初彎曲是隨機變量，記為Xi，共有n根柱子。則Xi的分布為：

其方差為σ=L/980。下面定義新的隨機變量X：

與X相應的5%分位點值為：

(1.1)

三、多柱有缺陷情況拉桿內力計算

多柱有缺陷情況計算簡圖如圖1所示，設柱子初彎曲為：

內力F1、F2、F3以軸拉力為正，di0是初彎曲幅值，以向左為正，從各根柱的平衡微分方程可以求得：

a帶初始缺陷的多柱初始狀態 b帶初始缺陷的多柱臨界狀態圖1 多柱有缺陷情況

當x=0時yi=0(i=1,2,3),因此B1=B2=B3=0，再令Ncr=4PE得：

由上式解出F1、F2、F3為：

一般地，設有n根柱子，則

(2.1)

(2.2)

經過推導，可以得到：

(2.3)

表1給出了n=1,2，……,9,10時α值的大小。其中，b/L取0.4,0.5,0.6,0.7；fy1取235,345N/mm2。

表1 多柱有缺陷情況的α值

求得α后，即可由(2.3)式求得A1。

對于水平拉桿來說，F=A1fy1，當fy1=fy時，可以由(2.3)式變換得到：

(2.4)

另外，將Ncr=φAfy代入(2.3)式，可得：

(2.5)

取fy=235,345N/mm2，又取b/L為0.4,0.5,0.6,0.7，可以求得拉桿A1/φA值(即F/Ncr值)，如表2所示。

對表2的數據進行數值回歸分析，可以得到如下公式：

當fy=235N/mm2時:

(2.6.a)

當fy=345N/mm2時:

(2.6.b)

通過以上兩個公式，可以求得的支撐多柱的水平拉桿的截面面積以及拉桿內力的理論解。

由表2可知，當fy=235N/mm2時，A1/φA的范圍為1.25%～17.26%。如果按壓桿計算[1]，取壓桿長細比λ1=100～200，壓桿初撓曲ω0=b/500,則A1/φA的計算值約為1.71～42.93%。根據這個結果，按拉桿計算的截面比按壓桿要小27～60%。

表2 多柱有缺陷情況F/Ncr、A1/φA值

四、支撐多柱拉桿設計實例

有一排柱子共八根，兩端柱間設交叉支撐，中間四根柱子由水平拉桿支撐，柱子為熱軋寬翼緣H型鋼HW300X300，截面面積A=120.4cm2,回轉半徑iy=7.49cm，柱距b=6m,柱高L=12m，拉桿使其計算長度減少一半為L/2=6m，柱子與拉桿均為Q235鋼，fy=235N/mm2，求所需拉桿截面。如圖2所示。

解：(1)求穩定系數φ

λ=0.5L/i=6000/74.9=80.1

根據規范[3]，熱軋型鋼對于y軸屬于b類截面，查表C-2，得：

φ=0.688

(2)求柱距柱高比b/L

b/L=6/12=0.5

(3)求拉桿截面面積A1

根據n=4,b/L=6/12=0.5,fy=235N/mm2，查表5，得

A1/φA=0.03922(A1/φA如果采用公式(4.3.10.a)計算，則有A1/φA=0.0395，與查表法幾乎相同)

再由φ=0.688，A=120.4cm2，得

A1=0.03922φA=0.03922×0.688×120.4=3.249cm2

(4)選擇型鋼截面

選用等邊角鋼L75×5，A1=7.41cm2,iv=1.5cm,λ1=6000/15=400,滿足規范對拉桿要求。

圖2 支撐多柱拉桿計算實例附圖

此支撐多柱水平拉桿取用的角鋼截面為L75×5，長細比均為λ1=400，拉桿截面都是由長細比控制的，按設計規范[3]的規定，拉桿的長細比不應超過400。

如改用受壓撐桿支撐柱列，按文獻[1]表十，取λ1=200，則A1/φA=0.16504，A1=0.16504φA=0.16504×0.688×120.4=13.67cm2，i=3.0cm,需選用十字形布置的等邊雙角鋼2L80×5，A1=15.82cm2，iu=3.13cm。

通過比較拉桿與撐桿的計算結果，可以看出拉桿截面面積僅為撐桿截面面積的47%，節省了53%的鋼材，節材效果明顯。

五、結語

本文對鋼結構中一排等間距布置的承受相同軸壓力的等截面柱，使柱計算長度減少一半所需的橫向水平拉桿的設計問題進行了理論研究與實例分析，從中可以得出如下結論：對有缺陷柱的柱間拉桿進行研究，可以得到確定的柱間拉桿內力；按拉桿設計比按壓桿設計柱間支撐桿具有更好的經濟性，可以節約鋼材27～60%左右。